ライス大学の研究者が生体材料スクリーニングを最適化し、「勝てる」処方を特定

1型糖尿病を患う800万人以上の人々にとって、宿主の免疫系がインスリン分泌細胞の移植を許容するようになることは、人生を変えることになるかもしれません。

ライス大学の生物工学者オミッド・ヴァイセとその共同研究者は、1型糖尿病治療の流れを変え、より持続可能で長期的、かつ自己制御的な治療法への扉を開くことができる新しい生体材料製剤を発見しました。

そのために、研究チームは新しいスクリーニング技術を開発し、数百種類の生体材料製剤を生きた被験者に移植する前に、その製剤に固有の「バーコード」を付けることにしました。

Nature Biomedical Engineering誌に掲載された研究によると、アルギン酸製剤の1つを使用してヒトインスリン分泌膵島細胞をカプセル化したところ、糖尿病マウスの血糖値を長期にわたってコントロールすることができました。また、他の2種類の高性能材料でコーティングしたカテーテルは、目詰まりを起こしませんでした。

「この研究は、大きなアンメットニーズに突き動かされたものです。」と、ライス大学生体工学部助教授でテキサス州がん予防研究所の奨学生であるヴァイセは述べています。「1型糖尿病患者では、身体の免疫系が膵臓のインスリン産生細胞を攻撃します。これらの細胞が死滅するにつれて、患者は血糖値を調節する能力を失っていくのです。」

何十年もの間、科学者たちは、ヴァイセが「膵島細胞を保護材料でできた多孔質マトリックス内に収容し、宿主の免疫系に叩かれることなく細胞が酸素や栄養素にアクセスできるようにするという『聖杯』のような目標」を目指して研究してきたのです。

しかし、スクリーニングの制約もあり、最適な生体適合性を持つ材料を見つけるのは非常に難しいことが判明しました。一方では、移植されたバイオマテリアルに対する免疫系の反応は、生きた宿主の中でしか評価することができません。

Veiseh研究室の大学院生で、この研究の共同筆頭著者であるキム・ボラムは、「問題は、免疫反応を試験管の中ではなく、糖尿病マウスの体内で調べる必要があることです。」と述べています。「つまり、何百ものアルギン酸分子をスクリーニングしようとすれば、何百もの動物実験台が必要になるのです。私たちのアイデアは、同じ被験者で、同時に何百ものバイオマテリアルをスクリーニングすることでした。」

一方、バイオマテリアルは見た目が同じなので、何か特徴がないと高性能なものを見分けることができません。そのため、1つの宿主に対して複数のバイオマテリアルをテストすることは不可能だった。

「これらは異なる材料ですが、同じように見えます。”そして、一度被験者の体内に移植され、再び取り出されると、素材を区別することができず、どの素材の処方が最も効果的かを特定することができなくなります。」とヴァイセは言います。

これらの制約を克服するために、ヴァイセと共同研究者は、各アルギン酸製剤に、最もよく機能するものを特定できるように、固有の「バーコード」を付ける方法を考え出しました。

「私たちは、それぞれの改良型バイオマテリアルを、異なるドナーからのヒト臍帯静脈内皮細胞（HUVEC）とペアリングしました。」とキムは言います。

「HUVEC細胞は、ユニークなドナーから来たものなので、最初にどの材料が使われたかを知ることができるバーコードの役割を果たします。」とヴァイセは付け加えました。”勝者は、その中に生きた細胞を持っているものです。それを見つけたら、その細胞のゲノムを解読し、どの素材とペアになっていたかを突き止めました。そうやって、大ヒット商品を発見したのです」。

幹細胞由来の膵島細胞を糖尿病患者に使用するための試験が進行中です。しかし、現在の膵島治療には免疫抑制が必要であり、1型糖尿病の治療には負担が大きい方法です。

「現在、糖尿病患者に膵島細胞を移植するためには、臓器移植をするのと同じように、免疫系全体を抑制する必要があります」とヴァイセは述べています。「臓器移植と同じように、免疫系全体を抑制しなければなりません。」

ですから、大多数の患者さんにとっては、自分で注射をするインスリン療法を行う方が良いのです。このバイオマテリアル-カプセル化戦略では、免疫抑制は必要ありません。

生体材料カプセルの中に実際のHUVEC細胞を入れることで、宿主の免疫系が異物の存在を感知する可能性が高まりました。このため、単にバイオマテリアルだけに対する免疫反応を調べるよりも、実験がより強固になります。

「私たちは、ビーズの中に細胞を入れることで、免疫系に気づかれにくくなるという選択圧をかけながら、これらの材料のライブラリーをテストしたかったのです。」とヴァイセは語っています。すべての膵島細胞メーカーが、免疫抑制をなくし、代わりに、移植された細胞を保護するために、これらのアルギン酸ハイドロゲルマトリックスを使用できるようにすることに、多くの関心を寄せています。

この新しいハイスループット「バーコーディング」手法は、より少ない被験者で他の医療用途のスクリーニングを行うために導入することが可能です。

ヴァイセは、「このことは、私の研究室では、他の疾患適応のために細胞から生物学的製剤を製造する他の多くのプロジェクトに実際に反映されています。」と述べています。「同じような改良は、体内に入るあらゆる種類の材料に適用できます。これは、細胞移植だけに限ったことではありません。私たちが開発した技術は、さまざまなデバイスのコンセプトと組み合わせることができるのです。」

「例えば、糖尿病患者の中には、インスリンを自己投与するために自動ポンプシステムを使用している人がいます。そのポンプシステムのカテーテルは、目詰まりを起こすため、数日ごとに交換する必要があります。私たちは、この新しい材料でカテーテルをコーティングすることで、目詰まりを防ぐことができることを証明することができました。」

「この新しい細胞ベースのバーコード技術によって、バイオマテリアル研究は、臨床的に適用可能な製品への移行を加速させ、より手頃な価格にする、前例のない後押しを受けたばかりです。」と、バージニア大学の移植外科医で生物工学者のホセ・オーバーホルツァー博士は語りました。

「これは、本当のパラダイムシフトです。この方法を使えば、一度に何百ものバイオマテリアルをスクリーニングし、人体が拒絶反応を示さないものを選択することができます。免疫抑制剤を使わなくても、細胞移植を免疫系の攻撃から守ることができるのです。」とオーバーホルツァーは付け加えた。

ライス大学の元生物工学教授で、現在NuProbe U.S.のCEOであるデビッド・チャンは、「ハイスループットDNAシーケンサーは、多くの生物医学分野に革命をもたらした。」と述べています。

この助成金の共同研究者であるチャンは、「Omidと協力して、私のチームのDNAシーケンスの専門知識を生かした改良型バイオマテリアルの開発を可能にできることを嬉しく思います」と付け加えています。「これらの改良型バイオマテリアルは、耐久性のある移植細胞療法を生きた薬物工場として機能させることができ、様々な慢性疾患の患者さんにポジティブな破壊的影響を与えることができます。」

出典

https://news.rice.edu/news/2023/study-unlocks-potential-breakthrough-type-1-diabetes-treatment